産業用3Dプリンティングによる積層造形：後処理の成功戦略

追加製造（AM）部品は、プリントベッドから外れたり、ビルドチャンバーを離れたりしたときに完成することはめったにありません。機能的、美的、そしてより正確にするための5つの戦略を次に示します。

産業用3Dプリンターメーカーの最善の努力にもかかわらず、彼らの機械から出てくるプラスチックまたは金属部品は、通常、完成したと見なされる前に追加の作業が必要です。

完成部品の製造におけるこのステップは後処理として知られており、積層造形の世界では必要悪です。

これには、機械加工、熱処理、研削、その他の研磨プロセスが含まれます。また、塗装やメッキなどの仕上げ作業や、より詳細に説明するより難解な技術も必要です。

レイヤー、サポート、精度

3Dプリントされた部品を後処理する理由はたくさんあります。

手始めに、これらの部品のほとんどは、金属、プラスチック、または複合材料の紙のように薄い層から作られています。また、文庫本の端とは異なり、印刷された部分の表面にははっきりとした階段状の外観があり、用途や外観上の要件によっては、使用前に滑らかにする必要があります。

粗い表面を取り除くことは、耐荷重部品の重要な考慮事項である、亀裂につながる可能性のある応力集中部を排除するのにも役立ちます。

ほとんどの3D印刷部品は、ビルドプロセス中に一時的なサポートを必要とします。これらの足場のような構造は、層とセクションが上向きにカールしたり下向きにたるんだりするのを防ぎ（AMプロセスに応じて）、熱による反りを最小限に抑えます。部品が完成したら、通常は機械的または研磨的な手段でこれらの支持構造を取り外す必要がありますが、ご覧のとおり、温浴で十分な場合もあります。

最後になりますが、確かに重要なのは、部品の精度です。設計の自由度が非常に高く、強力でありながら軽量な部品を提供する機会があるにもかかわらず、3D印刷は、少なくとも従来の製造基準では、まだあまり正確ではありません。対処するためにすでに説明した表面粗さ、および平坦性、真円度、その他すべてがあります。その結果、穴をリーマ加工または穴あけし、ジャーナルを真にし、取り付け面を平らにフライス盤で削る必要があります。これが、多くの3D印刷された部品、そして確かに金属製の部品が、印刷後に機械工場に足を運ぶ理由です。

3Dプリント後処理の成功のための戦略

幸いなことに、多くの機器会社、および3Dプリンターメーカー自体が、これらのAMの欠点に対処するための措置を講じています。

この作業は、生産量が増加し、添加剤が主流のプロセスに進化するにつれて、さらに重要になります。二次的なプロセスがなくなることはありませんが（減法混色の製造業者も知っている事実です）、これらの企業は少なくとも、生活のために部品を印刷する人々の生活を楽にします。

Bernie Kerschbaumは、そのような会社の1つであるミシガン州バトルクリークを拠点とするRosler MetalFinishingUSAのCEOです。 Kerschbaumは、3D印刷された部品の後処理に関しては、できれば印刷が始まるずっと前に、製品設計者と製造業者が同様に宿題をするべきだと提案しています。

「万能の仕上げ技術を提供する人は誰もいません。多くの場合、それは単一のプロセスでもありません」とKerschbaum氏は言います。

彼は、数年前に大規模な消費者製品の顧客を支援したシャンプーボトルの3D印刷されたプロトタイプの例を示しています。これは、プラスチック射出成形製品と同じルックアンドフィールを実現するために大規模な振動仕上げが必要でした。他の部品は、粗い表面を平らにするためにウェットブラストまたはドライブラストを必要としますが、一部の部品は、目的の滑らかさに到達するために複数の仕上げ操作を必要とします。染料や塗料による着色も非常に一般的であり、研磨、表面研磨、保護コーティングの塗布も同様です。

Kerschbaumは、これらおよびその他の後処理操作を実行する前に必要なさまざまなステップをリストアップします。

これらには、バインダージェットおよびパウダーベッドプリンターの場合の「ケーキ」からのワークピースの開梱が含まれます。コンポーネントの表面から支持構造と緩んだまたは焼結した粉末を除去し、内部通路を滑らかにして洗浄します。数量に応じて、これらの各操作は、会社のさまざまなAM Solutionsブランドの生産システムのいずれかを使用して自動化された方法で実行することも、手作業で面倒なサンディング、スムージング、研磨という昔ながらの方法で実行することもできます。

「多くの場合、かなり粗い表面仕上げから始めますが、顧客のニーズに応じて、それを10代前半のRa、または1桁にまで下げることができます」とKerschbaum氏は言います。 「ショットブラストと大量仕上げは、付加的に製造された部品にとって非常に効果的で経済的なプロセスであることが証明されています。」

ポリマー部品の後処理については、テキサス州シーダーパークのAdditive Manufacturing Technologies（AMT）Inc.のエグゼクティブバイスプレジデントであるLuis Folgarが、彼の会社の自動化されたPostPro3DおよびPostProSF50システムの1つを提供しています。

どちらも、「安全に使用でき、比較的安価で、とりわけ持続可能な」独自の化学蒸気を使用して、粉末床、マルチジェットフュージョン、および押出成形ベースの技術で印刷された部品の表面を滑らかにします。

候補となるポリマーには、ナイロン、ABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）、PC（ポリカーボネート）、ポリプロピレン、TPU（熱可塑性ポリウレタン）およびTPE（熱可塑性エラストマー）、Ultemおよびガラスまたは炭素充填材料、「PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）およびPAEKを含む」が含まれます。 （ポリアリールエーテルケトン）まもなくオンラインになります」とFolgar氏は言います。

彼は、1μmRa（40μinRa）までの部品表面仕上げが可能であり、寸法劣化が0.4％以下で、表面の多孔性と亀裂が減少し、完成部品の色特性が向上すると付け加えています。 Roslerや他のプロバイダーと同様に、AMTは自動化された粉末除去およびショットブラストシステムも提供します。

FelipeCastañedaは、Stratasysの子会社であるニューヨークのブルックリンにあるMakerBotのインダストリアルデザイナー兼クリエイティブディレクターです。彼は、FFF（溶融フィラメント製造）で作られた部品の場合、印刷後に支持構造を除去する最も効果的な方法の1つは、溶解可能な材料を使用することであると述べています。

これらの最初のものはPVA（ポリビニルアルコール）です。これは柔らかく生分解性のポリマーで、暖かい水道水にさらされると溶けてしまいます。完成した部品を数分間振り回すだけで、サポートのない部品が出てきます。これは、PLA（ポリ乳酸）やPETG（ポリエチレンテレフタレートグリコール）などの柔らかい素材には適していますが、ABSなどの「より複雑なポリマー」の場合、MakerBotはStratasysのSR-30の使用をサポートしています。

PVAと同様に、水に溶解しますが、少量のNaOH（苛性ソーダまたは灰汁）とわずかに高い温度が必要です。これらはそれぞれ、印刷プロセス中に適用され、堆積ヘッドは必要に応じてワークピースとサポート材料を自動的に切り替えます。

これらおよびその他の可溶性材料の美しさは、複雑な部品、特に機械的手段では除去が非常に困難な内部形状の支持構造を作成できることです。

別のオプションは、いわゆるブレークアウェイサポートの印刷です。ここでは、サポートの大部分がワークピースと同じ材料から印刷されており、PVAまたはSR-30は、パーツとそのサポートが結合する場所にのみ適用されます。削除プロセスは同じですが、プリントヘッドは材料を頻繁に切り替える必要がないため、ビルドプロセスが高速化されます。

「また、溶解に必要な時間が短縮されるため、多くの部品で、両方の世界で最高のアプローチを提供します」とCastañeda氏は言います。

冒頭で述べたように、機械加工、研削、金属部品の場合は熱処理を考慮して、内部部品の応力を緩和し、必要に応じてワークピースを硬化させることもできます。

ほとんどの3D印刷プロセスで使用される金属は、鍛造または鋳造されたものとほぼ同じであるため、ここでは魔法は必要ありません。ビルドプレートのない部分をEDMで切断または配線し、クランプして切断するだけです。

積層造形で作られた部品の後処理にどのような技術を使用していますか？以下のコメントであなたの考えや洞察を共有してください。